钢框架减震方案对比研究

陈 云

（南通蓝科减震科技有限公司，南通 226000）

0 引言

近年来，在建筑业掀起了发展装配式建筑的新浪潮。其中，装配式混凝土建筑在工程中的应用较为普遍，但由于其对构件加工和现场施工的要求较高，并且在梁柱节点处容易发生损坏，使结构在地震下的安全难以得到保证［1-2］。与装配式混凝土建筑相比，钢结构的自重较轻，现场采用螺栓或焊接连接，保证了施工精度，而且抗震性能更高。目前在一些地区得到大力推广，如临沂市发布了“关于在全市学校等公共建筑项目中推广装配式钢结构建筑的通知”。鉴于学校等公共建筑项目为重点设防，其抗震性能应予以高度重视，而消能减震技术的出现有效地保证了结构在中震或大震下的安全。

防屈曲支撑［3～5］（buckling restrained brave，BRB）、金属剪切阻尼器［6～8］（shear damper，SD）以及黏滞阻尼器［9～11］（visarus fluid damper，VFD）是最为常用的几种减震产品。郗浩博等［12］分析了BRB在钢框架中的应用，结果表明BRB可有效改善扭转效应，降低震后的结构损伤；张新宁等［13］分析了软钢阻尼器在钢结构中的应用技术，也可取得较好的效果；朱凯盟等［14］分析了黏滞阻尼器在钢结构中的应用，并进行了试验分析，结果表明减震效果显著。上述的研究大部分都是针对产品本身性能的研究或者单一产品在工程中的应用，文献［15］研究了混凝土框架中不同减震产品的减震效果，具有较好的指导性。钢结构和混凝土特性相差较大，针对钢结构中不同减震方案的比选研究相对较少，基于此本文以某钢框架为例，在该结构中分别设置BRB、SD和VFD，使减震结构的顶部位移减震率均达到40%以上，对比分析各结构在多遇和罕遇地震下的各项参数，为今后钢结构减震方案的比选提供借鉴。

1 模型建立

1.1 工程概况

该项目为某钢框架结构教学楼，共5层，建筑总高度为19.8 m，结构示意图如图1所示。该建筑抗震设防烈度为8度0.3g，地震分组为第二组，场地类别为Ⅱ类，特征周期为0.4 s。

图1 结构示意图Fig.1 Structure diagram

1.2 地震波选取

依据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）［16］的要求，选取了1条人工波和2条天然波，分别为人工波RH002TG040（简称R1）和天然波TH028TG040（简称T1）、TH059TG040（简称T2），其频谱特性如图2所示，由图可知所选地震波满足统计意义相符的选波条件。

图2 地震波加速度谱与规范反应谱对比图Fig.2 Compariaon of seismic acceleration spectrum and standard response spectrum

1.3 阻尼器参数

为达到多遇地震下40%的位移减震率，见表1，经多次调整和试算，得到三种阻尼器的参数，如表2-表4所示。三种阻尼器的布置位置相同，如图3所示。

表4 黏滞阻尼器参数Table 4 VED parameters

图3 阻尼器布置图Fig.3 Damper layout drawing

表1 不同减震方案计算结果Table 1 Calculation results of different damping schemes

表2 BRB的参数Table 2 BRB parameters

表3 剪切阻尼器参数Table 3 Shear damper parameters

2 地震响应对比分析

2.1 结构周期对比

由表5可知，SD和BRB方案由于增加了一定的刚度，其周期变小。

表5 不同方案周期对比Table 5 Cycle comparison of different damping schemes s

2.2 多遇和罕遇地震下的位移响应

图4和图5分别表示的是多遇和罕遇地震下不同减震方案的位移角曲线对比结果，图6表示的是多遇和罕遇地震下不同减震方案的位移角减震率对比。由图可知，多遇地震下三种方案的减震效果接近，最大位移角的减震率为45%～55%，效果显著，罕遇地震作用下，SD和VFD的减震效果降为25%～35%，而BRB减震效果升至55%～65%。

图4 多遇地震下层间位移角曲线Fig.4 Drift curve at frequent earthquakes

图5 罕遇地震下层间位移角曲线Fig.5 Drift curve at rare earthquakes

图6 多遇和罕遇地震位移减震效果对比Fig.6 Comparison of damping effect between frequent and rare earthquake

多遇地震下，三种方案减震效果接近，大震下SD和VFD接近，BRB减震效果最显著；随着地震强度的增加，SD和VFD减震率有所降低，SD降低较为明显，BRB规律相反。

2.3 多遇和罕遇地震下的加速度响应

图7和图8分别表示的是多遇和罕遇地震下不同减震方案的楼层加速度响应结果，图9表示的是多遇和罕遇地震下不同减震方案的加速度减振率对比。由图可知，多遇地震下三种方案的差异很大，SD和VFD可以有效减小加速度响应且减震率在40%左右，但是BRB相反，在-20%左右。罕遇地震作用下，三种方案均可降低加速度响应，减震率接近，为25%左右。

图7 多遇地震下楼层加速度响应Fig.7 Acceleration response at frequent earthquakes

图8 罕遇地震下楼层加速度响应Fig.8 Acceleration response at rare earthquakes

图9 多遇和罕遇地震加速度减震效果对比Fig.9 Comparison of acceleration effects between frequent and rare earthquake

多遇地震下，SD和VFD可以有效降低加速度响应，BRB反之，罕遇地震下，三种方案均可降低楼层加速度响应，其中多遇和罕遇地震下都是VFD减震效果最为显著。随着地震强度的增加，SD和VFD加速度减振率有所降低，SD降低较为明显，BRB规律相反。

2.4 多遇和罕遇地震下的楼层剪力

图10和图11分别表示的是多遇和罕遇地震下不同减震方案的楼层剪力结果，图12表示的是多遇和罕遇地震下不同减震方案的楼层剪力减振率对比。由图可知，多遇地震下三种方案的差异较大，SD和VFD可以有效减小楼层剪力且减震率在30%左右，但是BRB相反，为-30%左右。罕遇地震作用下，三种方案均可降度楼层剪力，减振率接近，减振率在10%～20%。

图10 多遇地震结构楼层剪力Fig.10 Structural shear at frequent earthquakes

图11 罕遇地震结构楼层剪力Fig.11 Structural shear at rare earthquakes

图12 多遇和罕遇地震楼层剪力减震效果对比Fig.12 Comparison of shear damping effects between frequent and rare earthquakes

多遇地震下，SD和VFD可以有效降低楼层剪力，BRB反之，罕遇地震下，三种方案均可降低楼层剪力。随着地震强度的增加，SD和VFD楼层剪力减振率有所降低，VFD降低较为明显，BRB规律相反。

2.5 多遇和罕遇地震下的框架部分剪力

图13和图14分别表示的是多遇和罕遇地震下不同减震方案的框架部分剪力结果，图15表示的是多遇和罕遇地震下不同减震方案的框架部分剪力减振率对比。由图可知，多遇地震下三种方案的减震效果接近，减震率在30%～50%，罕遇地震作用下，三种方案减震效果差异较大，BRB的减震效果达到50%～60%，而SD和VFD仅为10%～20%。

图13 多遇地震结构框架部分剪力Fig.13 Shear force of frame part at frequent earthquakes

图14 罕遇地震结构框架部分剪力Fig.14 Shear force of frame part at rare earthquakes

图15 多遇和罕遇地震加速度减震效果对比Fig.15 Comparison of acceleration effects between frequent and rare earthquakes

多遇地震下，三种方案减震效果接近，罕遇地震下，BRB减震效果最为明显，SD次之，VFD减震效果最差。随着地震强度的增加，SD和VFD楼层剪力减震率有所降低，VFD降低较为明显，BRB规律相反。

综上所述，多遇地震下SD和VFD可有效降低位移、加速度、楼层剪力和框架部分剪力等响应，BRB可降低位移和框架部分剪力等响应，对加速度、楼层剪力等响应反而有所增加，罕遇地震下，BRB、SD和VFD对位移、加速度、楼层剪力和框架部分剪力等响应均可降低。随着地震强度的增加，SD和VFD的减震效果呈降低趋势，而BRB反之。

出现以上现象的原因在于：小震下，VFD和SD开始耗能，而BRB仅提高刚度；大震下，BRB也进入屈服耗能，同时由于BRB的承载力较大，因为大震下减震效果显著。

3.6 子结构的内力

取一榀框架为例，如图16所示，提取三种减震方案下的子结构内力进行比较，见图17。从图17（a）可以看出，BRB对框架柱的轴力影响较大，SD和VFD对柱的轴力影响较小；而在图17（b）、（c）中，SD和VFD框架中梁、柱的弯矩大于BRB框架的弯矩。这是因为在地震作用下SD和VFD是水平受力，从而对子结构的梁柱产生附加弯矩，使梁柱两端的弯矩变大；而BRB的屈服承载力较大，在地震作用下是轴向受力，对柱产生较大的附加轴力，因此在采用BRB时应注意框架柱的承载力能否满足要求。

图16 框架子结构Fig.16 Frame substructure

图17 子结构梁柱内力Fig.17 Force of sub-structure beam and column

4 结论

（1）在多遇地震下，SD和VFD均可有效降低层间位移角、楼层加速度、楼层剪力及框架剪力，但随着地震强度的增加，两者的减震效果均有所下降；

（2）BRB在多遇地震下，会放大楼层加速度和楼层剪力，但可有效降低位移角和框架部分地震作用，在罕遇地震下各项地震响应参数均减小，其中对位移角和框架剪力的改善尤为明显；

（3）不同减震方案对子结构的受力影响较大，SD和VFD对梁柱产生了附加弯矩，BRB不产生附加弯矩，但会增大框架柱所受轴力，因此在采用BRB时，应确保子结构中框架柱的安全性。